PDC全钻头破岩数值模拟方法研究

发布时间：2022-07-03 12:39

　　PDC钻头数值模拟技术得到了广泛的发展,但是由于实验条件及计算机资源的限制,还未发现相关文献进行精细网格下的全钻头破岩载荷测试、数值模拟及载荷分析研究。本文一方面针对PDC单齿及全钻头破岩数值模拟有限元模型、本构模型、模拟结果精度进行了对比研究,探索不同建模方法对数值模拟效率的影响；另一方面通过有限元建模计算得到PDC钻头切削破岩时各主切削齿的受力情况,并且对PDC钻头切削齿的磨损趋势做出了预测。首先,利用ABAQUS有限元分析软件,针对Mohr-Coulomb模型和Drucker Prager模型,对比研究了前倾角、侧转角、牙齿尺寸等参数影响下的切削力、轴向力等力学参数变化规律,仿真结果与实验结果对比表明,Mohr-Coulomb模型对结果造成的误差略大于Drucker Prager模型,但是其计算效率是后者的3.1倍,该模型有助于缩短PDC全钻头破岩的数值模拟的仿真时间。在PDC单齿破岩数值模拟的基础上建立PDC单刀翼切削齿破岩的数值模拟,分析结果表明：单刀翼上由钻头靠近心部和外肩的切削齿受到的扭矩较小,在两者直接靠近刀翼鼻部位置的切削齿受到的扭矩最大,靠近钻头心部的切削齿受到的轴... 

【文章页数】：83 页

【学位级别】：硕士

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摘要
Abstract
目录
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 本文研究的内容
    1.4 研究创新点及技术路线
第2章 PDC钻头破岩数值模拟理论及建模方法
    2.1 PDC钻头破岩机理
        2.1.1 PDC钻头简介
        2.1.2 PDC钻头的破岩机理
    2.2 PDC钻头几何学
        2.2.1 PDC齿的方位空间
        2.2.3 PDC钻头的坐标系统
        2.2.4 PDC钻头几何学基本方程
        2.2.5 PDC钻头切削齿受力分析
    2.3 岩石的弹性阶段本构关系的研究
    2.4 岩石的塑性阶段强度准则与屈服准则
        2.4.1 最大拉应变准则
        2.4.2 莫尔库伦(Mohr-Coulomb)强度理论
        2.4.3 德鲁克—普拉格(Drucker-Prager)屈服准则
    2.5 PDC钻头切削单元及全钻头破岩模拟建模方法研究
        2.5.1 PDC单齿破岩数值模拟模型的建立
        2.5.2 PDC单刀翼破岩数值模拟模型的建模
        2.5.3 PDC钻头破岩数值模拟模型的建模
    2.6 本章小结
第3章 PDC钻头切削单元破岩实验及数值模拟研究
    3.1 岩石力学参数实验研究
        3.1.1 岩石参数测试实验的方法与条件
        3.1.2 PDC齿切削载荷测试原理
        3.1.3 PDC齿切削载荷的测试实验
    3.2 数值模拟结果与实验结果对比
        3.2.1 PDC单齿切削砂岩结果的对比
        3.2.2 PDC单齿切削灰岩结果的对比
        3.2.3 PDC单齿切削白云岩结果的对比
    3.3 PDC单刀翼切削砂岩数值模拟结果
        3.3.1 PDC单刀翼破岩数值模拟结果
        3.3.2 数据的提取及解析模型计算方法
    3.4 本章小结
第4章 PDC全钻头破岩实验及数值模拟研究
    4.1 PDC钻头破岩实验
        4.1.1 PDC钻头破岩载荷测试原理
        4.1.2 PDC钻头破岩载荷的测试实验
    4.2 数值模拟结果与实验结果对比
        4.2.1 PDC钻头切削灰岩结果的验证
        4.2.2 PDC钻头切削红砂岩结果的验证
    4.3 PDC钻头破岩各主切削齿的载荷分析
        4.3.1 某616钻头切削灰岩的数值模拟结果
        4.3.2 磨损趋势的预测及对比
    4.4 本章小结
第5章 结论与展望
    5.1 研究成果
    5.2 存在的问题及展望
致谢
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果


【参考文献】：
期刊论文
[1]PDC钻头切削齿破岩仿真与试验分析[J]. 邓敏凯,伍开松,胡伟.  石油机械. 2014(01)
[2]椭圆形与圆形PDC齿破岩有限元仿真对比分析[J]. 伍开松,邓敏凯,杨迎新.  石油机械. 2011(05)
[3]PDC钻头钻进仿真系统数字化方法研究[J]. 任海涛,杨迎新,陈炼,闫静,周春晓.  西南石油大学学报(自然科学版). 2010(05)
[4]ABAQUS软件在弹性滑移支座非线性有限元分析中的应用[J]. 王璐,欧瑾,王曙光,刘伟庆.  南京工业大学学报(自然科学版). 2010(04)
[5]PDC钻头破岩仿真系统离散化方法研究[J]. 周春晓,杨迎新,任海涛,陈炼.  石油工业计算机应用. 2010 (02)
[6]PDC钻头破岩的动态数值模拟[J]. 陈勇,万教育,赵子仁,钟智慧.  新疆石油天然气. 2009(03)
[7]PDC钻头切削齿工作区域及切削量的分析理论和计算方法[J]. 田丰,杨迎新,任海涛,陈炼,况雨春,林敏.  钻采工艺. 2009(02)
[8]试论最大偏应力屈服准则与Mises、Tresca屈服条件的关系[J]. 丁剑霆,刘海霞.  黑龙江工程学院学报. 2008(03)
[9]岩石各向异性的单轴压缩试验研究[J]. 李正川.  铁道科学与工程学报. 2008(03)
[10]循环荷载作用下岩石阻尼特性的试验研究[J]. 刘建锋,谢和平,徐进,杨春和.  岩石力学与工程学报. 2008(04)

硕士论文
[1]底砾岩地层PDC钻头损坏机理及钻头优化设计研究[D]. 孔栋梁.中国石油大学 2011
[2]PDC齿切削载荷的测试与分析[D]. 石志明.西南石油大学 2006
[3]PDC钻头与岩石互作用过程的计算机仿真[D]. 肖仕红.西南石油学院 2004



本文编号：3654863